Ядерные реакции с водой
Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.
В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.
Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:
При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т. е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.
Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:
 |
Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.
Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина
| Q = (MA + MB – MC – MD)c 2 = ΔMc 2 . |
1. Деление тяжелых ядер. В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или β-частиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.
В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др.
Уран встречается в природе в виде двух изотопов: 
(99,3 %) и 
(0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления 
наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра 
вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.
Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция – часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны, освободившиеся при делении ядер урана-235, способны вызвать деление лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. Изотоп 
также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции.
Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана-235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг.
Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.
Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.
Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.
В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция возникает при быстром соединении двух кусков урана-235, каждый из которых имеет массу несколько ниже критической.
2. Термоядерные реакции. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A. Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с выделением энергии A
Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10 –15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 10 8 –10 9 К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.
Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития
|
выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций.
Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.
На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.
Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.
Источник
Азот и молнии. Об атмосферных ядерных реакциях и апокалипсисе на кончике пера
Несостоявшийся планетарный пожар
Ранняя история ядерного оружия, вернее, предыстория бомбардировок Хиросимы и Нагасаки – это гремучая смесь фундаментальной науки, игр спецслужб, цейтнота, политики и сделок с совестью. Первой систематической работой о научной составляющей Манхэттенского проекта была книга «Ярче тысячи солнц», написанная австрийским автором Робертом Юнгом.
И эта книга, и вышедшие в 1962 году мемуары бригадного генерала Лесли Гровса под названием «Теперь об этом можно рассказать» красочно демонстрируют, что проделанная в рамках проекта работа была в высшей степени первопроходческой, когда о последствиях следующего шага оставалось только догадываться. Так, именно в рамках Манхэттенского проекта был придуман метод Монте-Карло, а для выполнения огромного объема расчетов при отсутствии ЭВМ были мобилизованы сотрудницы-вычислительницы.
Лесли Гровс с солдатской прямотой не скрывает, что отнесся к коллективу ученых-атомщиков как к сборищу фриков, которых нужно потерпеть в условиях военного времени и для выполнения поставленной боевой задачи. Когда по итогам Ялтинской конференции стало понятно, что исход войны в Европе предрешен, а война на Тихом океане далека от завершения, когда в расчете на потенциальные потери личного состава в Японии было изготовлено полмиллиона «Пурпурных сердец» (американский орден, вручаемый за ранение или гибель в бою), вручаемых по сей день – стремление как можно быстрее поставить точку в войне представлялось единственной приоритетной целью. Личные конфликты в коллективе и даже выявление советских шпионов отходят на второй план. Последняя глава в книге Гровса называется «Нагасаки».
Но, как показало время, в 1945 году история Лос-Аламосской лаборатории только начиналась, а вместе с ней начиналась холодная война, требовавшая исследовать все более жаркие ядерные реакции. Именно к этому периоду (1946 год) относится удивительный эпизод, изложенный в докладе под редакцией Артура Комптона (1892 — 1962). Доклад (титульная страница которого вынесена в качестве иллюстрации к этой статье) резюмирует спор между Хансом Бете (1906 — 2005) и Эдвардом Теллером (1908 — 2003) по поводу апокалиптической опасности водородной бомбы.
Эдвард Теллер и его коллега, математик Станислав Улам, приступили к исследованию термоядерного синтеза и возможностей его боевого применения еще в 1941 году. Классическая конструкция водородной бомбы названа именно в честь них:
Создание атомной бомбы можно считать промежуточным этапом на пути к созданию водородной бомбы, так как инициирующим звеном в первой ступени служит именно ядерный заряд. Именно по схеме Теллера и Улама был реализован процесс имплозии, то есть «обжатия» ядерного заряда, чтобы он достигал критической массы именно в тот момент, когда бомба уже сброшена с самолета. По принципу имплозии действовала бомба «Толстяк» и большинство других атомных бомб США, в которых в качестве заряда использовался не уран, получаемый методом газовой диффузии, а плутоний, нарабатываемый из урана-238 (это многоступенчатый процесс, впервые реализованный в промышленном ядерном реакторе в Хэнфорде).
Но именно у Теллера, разбиравшегося в устройстве и потенциальном эффекте водородной бомбы лучше, чем кто бы то ни было из его современников, в 1945 году возникли серьезные сомнения в том, стоит ли вообще создавать такое оружие. Теллер предположил, что при запуске термоядерной реакции в атмосфере могут быть достигнуты настолько высокие температуры, что цепная реакция перекинется на атмосферный азот.
Теллер предположил, что в атмосфере может начаться реакция термоядерного синтеза с участием азота, а в воде — реакция с участием тяжелого водорода (дейтерия). Оппенгеймера не на шутку обеспокоил такой вариант развития событий, поэтому он оперативно связался с Артуром Комптоном, в тот момент находившимся в отпуске. Суть беседы, со слов журналиста Перла Бака, взявшего интервью у Артура Комптона, была такова:
Артур Комптон объяснил мне, что ядра водорода нестабильны, поэтому могут сливаться в ядра гелия, что сопровождается выделением огромной энергии, что и происходит на Солнце. Для запуска такой реакции необходима очень высокая температура, но не такая ли температура возникнет при взрыве атомной бомбы?
Также Оппенгеймера беспокоило, что может случиться с водородом, содержащимся в морской воде. Не взорвет ли атомная бомба океан, и что тогда будет?
«Земля испарится», – сказал я (Перл Бак – прим. авт.)
«Точно,» – сказал Комптон – «Это был бы конец света. Лучше стать рабами нацистов, чем стать палачами всего человечества».
Вот как выглядела бы физика этого процесса:
Если перед нами стоит задача поджечь атмосферу, то важнее всего учесть реакцию термоядерного синтеза с участием атомов азота. От слияния атомов азота в атмосфере должны образовываться новые ядра, и при этом выделяется энергия:
14 N + 14 N → 24 Mg + 4 He или 16 O + 12 C
Если всю энергию, выделяющуюся при слиянии двух атомов азота, можно было бы направить на подпитку следующей реакции, этого было бы достаточно, чтобы в атмосфере запустилась цепная реакция. Но, если температура и давление в области взрыва недостаточно высоки, то эта энергия ничтожна по сравнению с потерями энергии на другие процессы. С большой вероятностью термоядерная реакция затухла бы сама собой.
Даже при сильно завышенной температуре в 11 миллиардов градусов Кельвина, которая использовалась в расчетах 1946 года, энергия, генерируемая при таких ядерных реакциях, была бы в тысячу раз ниже энергетических потерь. В реальности при взрыве атомной бомбы на очень краткие периоды могут возникать температуры в миллионы градусов, но этого и близко не хватит, чтобы термоядерный синтез азота достиг заметных масштабов.
Еще сложнее при ядерном взрыве поджечь океан. В таком сценарии важнее всего учесть реакцию со слиянием двух атомов дейтерия:
2 D + 2 D → 3 H + 1 H или 3 He + нейтрон
В данном случае важно, что на 6500 атомов водорода-протия в воде содержится всего один атом водорода-дейтерия. Но, если бы в воде кроме кислорода содержался один только дейтерий, а не обычный водород, термоядерная реакция все равно не поддерживалась бы, так как давление было бы слишком низким. Для ядерного синтеза с участием дейтерия нужно такое давление, как в ядре Солнца, то есть в сотни миллионов раз выше, чем на дне океана.
Разумеется, ни в 1945, ни в 1946 году невозможно было с точностью рассчитать температуру и давление, возникающие при ядерном или термоядерном взрыве. Артур Комптон полагал, что испытание атомной бомбы можно произвести, если вероятность возникновения термоядерной реакции в азоте составит менее трех на миллион. Теоретически она действительно оказалась немного меньше, и сначала состоялось испытание бомбы модели «Толстяк» на полигоне «Аламогордо», а затем были атомные бомбардировки Японии.
Ханс Бете. Брифинг на траве
Уже в 1970-е Хансу Бете пришлось вновь заверять журналистов в том, что термоядерные реакции, а именно:
16 O + 1 H → 17 F + гамма-излучение
2 D + 2 D → 3 H + 1 H
2 D + 2 D → 3 He + нейтрон
2 D + 1 H → 3 He + гамма-излучение
не могут произойти и при подрыве водородной бомбы. В 1976 году он даже написал специальное опровержение к статье некого Дадли, вышедшей годом ранее и озаглавленной «The Ultimate Catastrophe».
Ядерные реакции в атмосфере
Тем не менее, в атмосфере действительно происходят не только ядерные реакции, но и реакции аннигиляции (во втором случае – между электронами и позитронами). Эти явления были открыты японскими учеными в 2017 году. Оказалось, что инициирующим зарядом для ядерных реакций с участием азота и кислорода является молния.
Еще в 1970-е годы индийские ученые обнаружили, что в Гималаях при грозах происходят заметные всплески количества нейтронов в атмосфере, а сам процесс высвобождения нейтронов при грозовых разрядах был зафиксирован в 1991 году с космической станции «Мир».
Толчком к исследованиям, проделанным японскими учеными в 2017-2018 годах, стали вспышки гамма-излучения, зарегистрированные во время грозы 6 февраля 2017 года. В статье, опубликованной в журнале «Nature», авторы исследования сообщают:
«Молнии и грозовые облака являются естественными ускорителями частиц. В электрическом поле внутри грозового облака развиваются лавинообразные потоки убегающих электронов, которые испускают тормозное гамма-излучение. Энергии этих гамма-лучей достаточно для запуска атмосферных фотоядерных реакций, при которых образуются нейтроны, а в конечном итоге – и позитроны. Источником последних является β+ распад нестабильных изотопов, в особенности 13 N, вероятно, возникающего при реакции 14 N+γ→ 13 N+n, где γ – фотон, а n – нейтрон. Во время грозы 6 февраля 2017 года в Японии вспышка гамма-излучения длительностью менее одной миллисекунды была зафиксирована детекторами, расположенными на расстоянии 0,5 – 1,7 км от места вспышки. Послесвечение, вызванное гамма-излучением, быстро прошло, но за ним последовало длительное излучение (продолжительностью около минуты) с энергией около 0,511 МэВ. Предположительно, эта последняя стадия излучения связана именно с аннигиляцией между позитронами и электронами».
В 2019 году появились соображения о том, что грозовые разряды являются не единственным источником гамма-излучения в атмосфере. Более того, одной лишь электрофизикой грозового облака невозможно объяснить возникновение земных гамма-вспышек (terrestrial gamma-flashes, TGF), впервые зафиксированных все в том же 1991 году американским космическим аппаратом BATSE, выведенным на орбиту в составе американской обсерватории «Комптон» для исследования гамма-излучения. TGF значительно продолжительнее, чем разряд молнии, причем процесс образования нейтронов в атмосфере может даже предшествовать грозовому разряду и, соответственно, использоваться для обнаружения еще не возникших молний.
Итак, в атмосфере Земли обычны не только ядерные реакции, но и гамма-всплески, и реакции аннигиляции. Пока остается лишь догадываться, каков их точный вклад в изотопный состав земной атмосферы, а также какова специфика таких реакций в атмосферах других планет, в особенности на водородном Юпитере, чьи грозы также подкидывают ученым немало вопросов.
С учетом вышеизложенного мне думается, а решились бы Комптон и Оппенгеймер на применение атомной бомбы, если бы знали о существовании фотоядерных реакций? Решились бы они испытать атомную бомбу в грозу, либо испугались бы спровоцировать над японскими островами не только термоядерную, но и аннигиляционную реакцию? История не терпит сослагательного наклонения, но было бы по-настоящему интересно увидеть, как Артур Комптон отреагировал бы на данные, добытые космической обсерваторией его имени, а также на саму концепцию фотоядерных реакций, до появления которой он не дожил.
Источник
